常用非金属材料

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1、第一节第一节 高分子材料高分子材料 一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念 高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。料。常称常称聚合物聚合物或或高聚物高聚物。 高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般104 。 高分子化合物有天然的（如蚕丝、羊毛、天然高分子化合物有天然的（如蚕丝、羊毛、天然橡胶及淀粉、蛋白质等），也有人工合成的。橡胶及淀粉、蛋白质等），也有人工合成的。 工业用高分子材料主要是通过工业用高分子材料主要是通过加聚反应加聚反应和和缩聚缩聚反应反应人工合成的。人工合成的。第1页/共55页第一页，编辑于星期日：十五点 四分。

2、 1、高分子化合物的组成、高分子化合物的组成 由简单的结构单元重复连接而成。由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙烯如由乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可简写成可简写成 n CH2=CH2 。 l组成聚合物的低分子化合物称为组成聚合物的低分子化合物称为单体单体。l聚合物的分子为很长的链条，称为聚合物的分子为很长的链条，称为大分子链大分子链。 CH2CH2 nl大分子链中重复结构单元大分子链中重复结构单元( (如聚乙烯中如聚乙烯中 ) )称为称为链节链节。 聚乙烯分子链第2页/共55页第二页，编辑于星期日：十五点

3、 四分。 2 、高分子材料的分类、高分子材料的分类 按用途按用途分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。分塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。 按聚合物反应类型按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。分为加聚物和缩聚物。 按聚合物的热行为按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物分为热塑性聚合物和热固性聚合物 第3页/共55页第三页，编辑于星期日：十五点 四分。四、工程高分子材料四、工程高分子材料 1、工程塑料、工程塑料 塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、在一定温度、压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。压力下可塑制成型，在常温下能保持其形状不变。

4、 工程塑料概述工程塑料概述 1）塑料的组成）塑料的组成 l塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。塑料是以树脂为主要成分，加入各种添加剂。l树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性树脂是塑料的主要成分，对塑料性能起决定性作用。作用。塑料制品第4页/共55页第四页，编辑于星期日：十五点 四分。 添加剂添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。是为改善塑料某些性能而加入的物质。 填料填料主要起增强作用；主要起增强作用； 增塑剂增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性；用于提高树脂的可塑性和柔软性； 固化剂固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构；用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构； 稳定剂稳定

5、剂用于防止塑料老化，延长其使用寿命；用于防止塑料老化，延长其使用寿命； 润滑剂润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上用于防止塑料加工时粘在模具上, 使制品光亮；使制品光亮； 着色剂着色剂用于塑料制品着色。用于塑料制品着色。 其他的还有其他的还有发泡剂发泡剂、催化催化 剂剂、阻燃剂阻燃剂、抗静电剂抗静电剂等。等。 添加剂第5页/共55页第五页，编辑于星期日：十五点 四分。 2）塑料的分类）塑料的分类 按树脂受热时行为按树脂受热时行为可分为热塑性塑料和热固性塑料。可分为热塑性塑料和热固性塑料。 按使用范围按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。 通用塑料通用塑

6、料产量大、价格低、用途广。产量大、价格低、用途广。 工程塑料工程塑料力学性能高，耐热、耐蚀性能好。力学性能高，耐热、耐蚀性能好。热固性塑料制品第6页/共55页第六页，编辑于星期日：十五点 四分。 3）塑料的性能特点）塑料的性能特点 塑料的优点：塑料的优点： 相对密度小相对密度小(一般为一般为0.9 2.3)；耐蚀性、电绝缘耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好；性、减摩、耐磨性好；有有消音吸振性能消音吸振性能 。l塑料的缺点：塑料的缺点：l刚性差刚性差(为钢铁材料的为钢铁材料的1/1001/10)，强度低；，强度低；耐热性耐热性差、热膨胀系数大（是钢铁的差、热膨胀系数大（是钢铁的10倍）、导热系数小

7、倍）、导热系数小(只有金属的只有金属的1/2001/600)；蠕变温度低、易老化。蠕变温度低、易老化。 第7页/共55页第七页，编辑于星期日：十五点 四分。 （2）常用工程塑料）常用工程塑料 1） 一般结构用塑料一般结构用塑料 包括聚乙烯包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚苯乙烯、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯聚丙烯(PP)、ABS塑料和有机玻璃（塑料和有机玻璃（PMMA）等。）等。 聚丙烯聚丙烯具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。具有优良的综合性能，可制造各种机械零件。 ABS塑料塑料 “坚韧、质硬、刚性坚韧、质硬、刚性” ，应用广泛。，应用广泛。 PE波纹管波纹管PP方向盘方

8、向盘ABS阀门阀门PS管管第8页/共55页第八页，编辑于星期日：十五点 四分。 聚酰胺聚酰胺又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，又称尼龙或绵纶，强度较高，耐磨、自润滑性好，广泛用作机械、化工及电气零件。广泛用作机械、化工及电气零件。 聚甲醛聚甲醛具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、具有优良的综合性能，广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业电气仪表、农机等工业 。尼龙管件尼龙管件PC挡风板挡风板l聚碳酸酯聚碳酸酯具有优良的机械性能，具有优良的机械性能，透明无毒，应用广泛。透明无毒，应用广泛。l2） 摩擦传动零件用塑料摩擦传动零件用塑料l包括聚酰胺包括聚酰胺(PA)、聚甲醛、

9、聚甲醛(POM)、聚碳酸酯聚碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)等。等。第9页/共55页第九页，编辑于星期日：十五点 四分。密封件密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件 聚四氟乙烯俗称聚四氟乙烯俗称“塑料王塑料王”，具有极优越的化学稳定，具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何性和热稳定性以及优越的电性能，几乎不受任何化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有化学药品的腐蚀，摩擦系数极低，只有0.04。缺点。缺点是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料

10、。蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。 第10页/共55页第十页，编辑于星期日：十五点 四分。 3）耐蚀用塑料）耐蚀用塑料 耐蚀用塑料主要有聚四氟乙耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚烯、氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯等。聚丙烯等。 氯化聚醚的化学稳定性仅氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯，但工艺次于聚四氟乙烯，但工艺性比聚四氟乙烯好，成本性比聚四氟乙烯好，成本低。在化学工业和机电工低。在化学工业和机电工业获得广泛应用，如化工业获得广泛应用，如化工设备零件、管道、衬里等。设备零件、管道、衬里等。 氯化聚醚防腐蝶阀氯化聚醚防腐蝶阀 第11页/共55页第十一页，编辑于星期日：十五点

11、四分。 4）耐高温件用塑料）耐高温件用塑料 有聚砜有聚砜(PSF)、聚苯醚、聚苯醚(PPO)、聚酰亚胺、聚酰亚胺(PI)及氟塑料等。及氟塑料等。 聚砜聚砜的热稳定性高是的热稳定性高是其其聚酰亚胺层压板 最突出的特点。使用温度达最突出的特点。使用温度达150174。用于机械设备。用于机械设备等工业。等工业。l聚苯醚聚苯醚具有良好的综合性能，用于机电等方面。具有良好的综合性能，用于机电等方面。l聚酰亚胺聚酰亚胺在在260下可长期使用。主要用于特殊条件下下可长期使用。主要用于特殊条件下使用的精密零件。使用的精密零件。 第12页/共55页第十二页，编辑于星期日：十五点 四分。 5）热固性塑料）热固性塑

12、料 热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体热固性塑料是在树脂中加入固化剂压制成型而形成的体形聚合物。形聚合物。 酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而酚醛塑料是以酚醛树脂为基，加入填料及其他添加剂而制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、制成。广泛用于制作各种电讯器材和电木制品（如插座、开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。开关等），耐热绝缘部件及各种结构件。 电器配件电器配件第13页/共55页第十三页，编辑于星期日：十五点 四分。2、合成橡胶、合成橡胶 橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材橡胶是以高分子化合物为基础的具有高弹性的材料。料。 （1）橡胶的组成和

13、性能特点）橡胶的组成和性能特点 工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配工业用橡胶由生胶和橡胶配合剂组成。生胶无配合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促合剂并未经硫化。橡胶配合剂有硫化剂、硫化促进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色进剂、防老剂、软化剂、填充剂、发泡剂、着色剂等。剂等。 橡胶最大的特点是高弹性（橡胶最大的特点是高弹性（E约约1MPa）。橡胶有储）。橡胶有储能、耐磨、隔音、绝缘等性能。能、耐磨、隔音、绝缘等性能。 第14页/共55页第十四页，编辑于星期日：十五点 四分。 （2）常用合成橡胶）常用合成橡胶 合成橡胶按用途和用量分为通用橡胶和特种橡胶合成橡胶按用途和用量分为

14、通用橡胶和特种橡胶，前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、前者主要用于制作轮胎、运输带、胶管、胶板、垫片、密封装置等；密封装置等；后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射后者主要用于高低温、强腐蚀、强辐射等特殊环境下工作的橡胶制品。等特殊环境下工作的橡胶制品。 密封圈密封圈胶管胶管轮胎轮胎第15页/共55页第十五页，编辑于星期日：十五点 四分。第二节 陶瓷材料 陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。l工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶等。随着现代科技的发展，出现了

15、许多性能优良的新型陶瓷。瓷。 第16页/共55页第十六页，编辑于星期日：十五点 四分。 二、陶瓷材料的分类二、陶瓷材料的分类 1、按化学成分分类、按化学成分分类 可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为氧化物陶瓷氧化物陶瓷、碳化物陶瓷碳化物陶瓷、氮化物氮化物陶瓷陶瓷及及其它化合物陶瓷其它化合物陶瓷。导电玻璃玻璃幕墙第17页/共55页第十七页，编辑于星期日：十五点 四分。 2、按使用的原材料分类、按使用的原材料分类 可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为普通陶瓷普通陶瓷和和特种陶瓷特种陶瓷。l普通陶瓷普通陶瓷以天然的岩石、矿石、以天然的岩石、矿石、黏土等材料作原料。黏土等材料作原料。l特种陶瓷特种陶瓷采用人工

16、合成的材料采用人工合成的材料作原料。作原料。 l3、按性能和用途分类、按性能和用途分类 l可将陶瓷材料分为可将陶瓷材料分为结构陶瓷结构陶瓷和和功能陶瓷功能陶瓷两类。两类。 陶瓷零件第18页/共55页第十八页，编辑于星期日：十五点 四分。三、常用工业陶瓷三、常用工业陶瓷 1、普通陶瓷、普通陶瓷 普通陶瓷是用粘土普通陶瓷是用粘土(Al2O32SiO22H2O)、长石、长石(K2OAl2O36SiO2，Na2OAl2O36SiO2)和石英和石英(SiO2)为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。为原料，经成型、烧结而成的陶瓷。 其组织中主晶相为莫来石其组织中主晶相为莫来石(3Al2O32SiO2)，占，占2

17、530%，玻璃相占，玻璃相占3560%，气相占，气相占13%。第19页/共55页第十九页，编辑于星期日：十五点 四分。 普通陶瓷加工成型性好，普通陶瓷加工成型性好，成本低，产量大。成本低，产量大。 除日用陶瓷、瓷器外，大除日用陶瓷、瓷器外，大量用于电器、化工、建筑、量用于电器、化工、建筑、纺织等工业部门。纺织等工业部门。 景德镇瓷器景德镇瓷器绝缘子第20页/共55页第二十页，编辑于星期日：十五点 四分。2、新型结构陶瓷、新型结构陶瓷 氧化铝陶瓷氧化铝陶瓷 氧化铝陶瓷以氧化铝陶瓷以Al2O3为主要成分为主要成分, 含有少量含有少量SiO2的陶瓷，又称高铝的陶瓷，又称高铝陶瓷。陶瓷。Al2O3化工

18、、耐磨陶瓷配件Al2O3密封、气动陶瓷配件第21页/共55页第二十一页，编辑于星期日：十五点 四分。 根据根据Al2O3含量不同分为含量不同分为75瓷瓷(含含75%Al2O3，又称刚，又称刚玉玉-莫来石瓷莫来石瓷)、95瓷和瓷和99瓷，后两者又称刚玉瓷。瓷，后两者又称刚玉瓷。 氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到氧化铝陶瓷耐高温性能好，可使用到1950。具有良好。具有良好的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高的电绝缘性能及耐磨性。微晶刚玉的硬度极高(仅次于仅次于金刚石金刚石). 95瓷纺织件99瓷纺织件氧化铝耐高温喷嘴第22页/共55页第二十二页，编辑于星期日：十五点 四分。氧化铝陶瓷转心球阀氧

19、化铝陶瓷密封环氧化铝陶瓷坩埚 氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、氧化铝陶瓷被广泛用作耐火材料，如耐火砖、坩埚、热偶套管，淬火钢的切削刀具、热偶套管，淬火钢的切削刀具、金属拔丝模，内燃机的火花塞，金属拔丝模，内燃机的火花塞，火箭、导弹的导流罩及轴承等。火箭、导弹的导流罩及轴承等。 第23页/共55页第二十三页，编辑于星期日：十五点 四分。 氮化硅（氮化硅（Si3N4）陶瓷）陶瓷 氮化硅是由氮化硅是由Si3N4四面体组成的共四面体组成的共 价键固体。价键固体。 氮化硅的制备与烧结工艺氮化硅的制备与烧结工艺 工业硅直接氮化：工业硅直接氮化：3Si+2N2Si3N4 二氧化硅还原氮化：二氧

20、化硅还原氮化：3SiO2+6C+2N2Si3N4+6CO烧结工艺烧结工艺优点优点 缺点缺点 反应烧结反应烧结 烧结时几乎没有收缩，能烧结时几乎没有收缩，能得到复杂的形状得到复杂的形状 密度低，强度低，耐蚀密度低，强度低，耐蚀性差性差 热压烧结热压烧结 用较少的助剂就能致密化，用较少的助剂就能致密化，强度、耐蚀性最好强度、耐蚀性最好 只能制造简单形状，烧只能制造简单形状，烧结助剂使高温强度降低结助剂使高温强度降低 第24页/共55页第二十四页，编辑于星期日：十五点 四分。 性能特点及应用性能特点及应用 氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金氮化硅的强度、比强度、比模量高；硬度仅次于金刚石、

21、碳化硼等；摩擦系数仅为刚石、碳化硼等；摩擦系数仅为0.10.2；热膨胀；热膨胀系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定系数小；抗热震性大大高于其他陶瓷材料；化学稳定性高。性高。l热压烧结氮化硅用于热压烧结氮化硅用于形状简单、精度要求形状简单、精度要求不高的零件，如切削不高的零件，如切削刀具、高温轴承等。刀具、高温轴承等。Si3N4轴承轴承第25页/共55页第二十五页，编辑于星期日：十五点 四分。 反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的反应烧结氮化硅用于形状复杂、尺寸精度要求高的零件，如机械密封环等。零件，如机械密封环等。汽轮机转子叶片气阀等零件第26页/共55页第二十六页，编辑于星

22、期日：十五点 四分。 碳化硅（碳化硅（SiC）陶瓷）陶瓷 碳化硅是通过键能很高碳化硅是通过键能很高的共价键结合的晶体。的共价键结合的晶体。 碳化硅是用石英沙碳化硅是用石英沙(SiO2)加焦碳直接加热加焦碳直接加热至高温还原而成：至高温还原而成：SiO2+3CSiC+2CO。l碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表碳化硅的烧结工艺也有热压和反应烧结两种。由于碳化硅表面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧面有一层薄氧化膜，因此很难烧结，需添加烧结助剂促进烧结，常加的助剂有硼、碳、铝等。结，常加的助剂有硼、碳、铝等。常压烧结碳化硅第27页/共55页第二十七页，编辑于星期日

23、：十五点 四分。 碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨碳化硅的最大特点是高温强度高，有很好的耐磨损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，损、耐腐蚀、抗蠕变性能，其热传导能力很强，仅次于氧化铍陶瓷。仅次于氧化铍陶瓷。 SiC密封件第28页/共55页第二十八页，编辑于星期日：十五点 四分。 碳化硅陶瓷用于制造火箭喷碳化硅陶瓷用于制造火箭喷嘴、浇注金属的喉管、热电嘴、浇注金属的喉管、热电偶套管、炉管、燃气轮机叶偶套管、炉管、燃气轮机叶片及轴承，泵的密封圈、拉片及轴承，泵的密封圈、拉丝成型模具等。丝成型模具等。 SiC陶瓷件SiC陶瓷件SiC轴承第29页/共55页第二十九页，编辑于星期日：十五

24、点 四分。 氧化锆陶瓷氧化锆陶瓷 氧化锆的晶型转变：立方相氧化锆的晶型转变：立方相 四方相四方相 单斜相。四单斜相。四方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易方相转变为单斜相非常迅速，引起很大的体积变化，易使制品开裂。使制品开裂。ZrO2第30页/共55页第三十页，编辑于星期日：十五点 四分。 在氧化锆中加入某些氧化物在氧化锆中加入某些氧化物(如如CaO、MgO、Y2O3等等)能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这能形成稳定立方固溶体，不再发生相变，具有这种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆种结构的氧化锆称为完全稳定氧化锆(FSZ)，其力学，其力学性能低，抗热冲击性差。性能低，抗热冲击

25、性差。l减少加入的氧化物数量，减少加入的氧化物数量，使部分氧化物以四方相的使部分氧化物以四方相的形式存在。由于这种材料形式存在。由于这种材料只使一部分氧化锆稳定，只使一部分氧化锆稳定，所以称部分稳定氧化锆所以称部分稳定氧化锆(PSZ)。 第31页/共55页第三十一页，编辑于星期日：十五点 四分。 氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。氧化锆中四方相向单斜相的转变可通过应力诱发产生。当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖当受到外力作用时，这种相变将吸收能量而使裂纹尖端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提端的应力场松弛，增加裂纹扩展阻力，从而大幅度提高陶瓷材料的韧性。高陶

26、瓷材料的韧性。部分稳定氧化锆组织第32页/共55页第三十二页，编辑于星期日：十五点 四分。 部分稳定氧化锆的导热率低，部分稳定氧化锆的导热率低，绝热性好；热膨胀系数大，接绝热性好；热膨胀系数大，接近于发动机中使用的金属，抗近于发动机中使用的金属，抗弯强度与断裂韧性高，除在常弯强度与断裂韧性高，除在常温下使用外，已成为绝热柴油温下使用外，已成为绝热柴油机的主要侯选材料，如发动机机的主要侯选材料，如发动机汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀汽缸内衬、推杆、活塞帽、阀座、凸轮、轴承等。座、凸轮、轴承等。 部分稳定氧化锆制品部分稳定氧化锆制品第33页/共55页第三十三页，编辑于星期日：十五点 四分。氧化锆制品氧

27、化锆制品氧化锆油泵氧化锆柱塞氧化锆拉线轮氧化锆球阀部分稳定氧化锆喷涂层增韧氧化锆导轮芯轴第34页/共55页第三十四页，编辑于星期日：十五点 四分。第三节第三节 复合材料复合材料 复合材料是由两复合材料是由两种或两种以上化种或两种以上化学性质或组织结学性质或组织结构不同的材料组构不同的材料组合而成的材料。合而成的材料。 复合材料船体第35页/共55页第三十五页，编辑于星期日：十五点 四分。 复合材料是多相材料，主要包括复合材料是多相材料，主要包括基体相基体相和和增强相增强相。 基体相基体相是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固是一种连续相，它把改善性能的增强相材料固l结成一体，并起传结成一体，

28、并起传递应力的作用。递应力的作用。l增强相增强相起承受应起承受应力（力（结构复合材结构复合材料）料）和显示功能和显示功能(功能复合材料功能复合材料)的作用。的作用。 第36页/共55页第三十六页，编辑于星期日：十五点 四分。 一、复合材料的分类一、复合材料的分类 1、按基体材料分类、按基体材料分类，可分为聚合，可分为聚合物基、陶瓷基和金属基复合材料。物基、陶瓷基和金属基复合材料。 2、按增强相形状分类、按增强相形状分类，可分为纤可分为纤维增强复合材料、粒子增强复合维增强复合材料、粒子增强复合材料和层状复合材料。材料和层状复合材料。 3、按复合材料的性能分类、按复合材料的性能分类，可分为，可分为

29、结构复合材料和功能复合材料。结构复合材料和功能复合材料。SiC颗粒Al2O3片Al2O3纤维增强相三种类型第37页/共55页第三十七页，编辑于星期日：十五点 四分。 二、复合材料的特点二、复合材料的特点 1、比强度和比模量高、比强度和比模量高 其中纤维增强复其中纤维增强复合材料的最高。合材料的最高。 2、抗疲劳性能好、抗疲劳性能好 碳纤维增强材料碳纤维增强材料 -1可达可达 b的的7080%。因纤维对疲劳裂纹扩。因纤维对疲劳裂纹扩展有阻碍作用。展有阻碍作用。 3、减振性能良好、减振性能良好 复合材料中的大量界面复合材料中的大量界面对振动有反射吸收作用，不易产生共振。对振动有反射吸收作用，不易产

30、生共振。 4、高温性能好。、高温性能好。增强剂常有较高的熔点增强剂常有较高的熔点和高温强度和高温强度。 5、断裂安全性高。、断裂安全性高。 应力会迅速重新分应力会迅速重新分布。布。比强度比较碳纤维 树脂硼纤维 树脂玻璃纤维 树脂钛钢铝第38页/共55页第三十八页，编辑于星期日：十五点 四分。三、粒子与层状增强复合材料三、粒子与层状增强复合材料 1、粒子增强复合材料、粒子增强复合材料 粒子增强复合材料是将粒子高度粒子增强复合材料是将粒子高度弥散地分布在基体中，使其阻碍弥散地分布在基体中，使其阻碍导致塑性变形的位错运动导致塑性变形的位错运动(金属金属基体基体)和分子链运动和分子链运动(聚合物基聚合

31、物基体体)。 这种复合材料是各向同性的。这种复合材料是各向同性的。 卫星用颗粒增强铝基复合材料零件第39页/共55页第三十九页，编辑于星期日：十五点 四分。 聚合物基粒子复合材料如酚聚合物基粒子复合材料如酚醛树脂中掺入木粉的电木、醛树脂中掺入木粉的电木、碳酸钙粒子改性热塑性塑料碳酸钙粒子改性热塑性塑料的钙塑材料的钙塑材料(合成木材合成木材)等。等。 陶瓷基粒子复合材料如氧陶瓷基粒子复合材料如氧化锆增韧陶瓷等。化锆增韧陶瓷等。 粒子增强SiC陶瓷基复合材料颗粒增强铝基泡沫复合材料碳黑增强橡胶第40页/共55页第四十页，编辑于星期日：十五点 四分。 金属基粒子复合材料又称金属基粒子复合材料又称金属

32、陶瓷，是由钛、镍、金属陶瓷，是由钛、镍、钴、铬等金属与碳化物、钴、铬等金属与碳化物、氮化物、氧化物、硼化物氮化物、氧化物、硼化物等组成的非均质材料。等组成的非均质材料。 碳化物金属陶瓷作为工具碳化物金属陶瓷作为工具材料已被广泛应用，称作材料已被广泛应用，称作硬质合金硬质合金。硬质合金通常以。硬质合金通常以Co、Ni作为粘结剂，作为粘结剂，WC、TiC等作为强化相。等作为强化相。 硬质合金组织( (Co+WC)第41页/共55页第四十一页，编辑于星期日：十五点 四分。 硬质合金主要有钨钴硬质合金主要有钨钴(YG)和钨钴钛和钨钴钛(YT)两类。牌号中，两类。牌号中，YG后后的数字为含的数字为含Co

33、量，量，YT后的数字为碳化后的数字为碳化钛含量。钛含量。 硬质合金硬度极高，硬质合金硬度极高，且热硬性、耐磨性好，且热硬性、耐磨性好，一般做成刀片，镶在一般做成刀片，镶在刀体上使用。刀体上使用。硬质合金模具硬质合金轴承刀具第42页/共55页第四十二页，编辑于星期日：十五点 四分。 2、层状复合材料、层状复合材料 层状复合材料是指在基层状复合材料是指在基体中含有多重层片状高体中含有多重层片状高强高模量增强物的复合强高模量增强物的复合材料。材料。l这种材料是各向这种材料是各向异性的异性的(层内两维层内两维同性同性)。如碳化硼。如碳化硼片增强钛、胶合板片增强钛、胶合板等。等。层状陶瓷复合材料断口形貌

34、三明治复合第43页/共55页第四十三页，编辑于星期日：十五点 四分。 双金属、表面涂层等也是层状复合材料。双金属、表面涂层等也是层状复合材料。 结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输结构层状材料根据材质不同，分别用于飞机制造、运输及包装等。及包装等。 有TiN涂层的高尔夫球头层状复合铝合金蜂窝夹层板第44页/共55页第四十四页，编辑于星期日：十五点 四分。四、纤维增强复合材料四、纤维增强复合材料 纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基体，纤维增强复合材料是指以各种金属和非金属作为基体，以各种纤维作为增强材料的复合材料以各种纤维作为增强材料的复合材料。 1、纤维增强复合原则、纤维

35、增强复合原则l在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承在纤维增强复合材料中，纤维是材料主要承载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、载组分，其增强效果主要取决于纤维的特征、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、纤维与基体间的结合强度、纤维的体积分数、尺寸和分布。尺寸和分布。 碳纤维第45页/共55页第四十五页，编辑于星期日：十五点 四分。 纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。纤维增强复合材料的强度和刚性与纤维方向密切相关。 纤维无规排列时，纤维无规排列时，能获得基本各向同性的复合材料。能获得基本各向同性的复合材料。均一方向的纤维使材料具有明显的各向异性均一方向的纤维使材料具有明显的

36、各向异性。纤维采。纤维采用正交编织用正交编织，相互垂直的方向均具有好的性能。，相互垂直的方向均具有好的性能。纤维采纤维采用三维编织用三维编织，可获得各方向力学性能均优的材料。，可获得各方向力学性能均优的材料。 纤维在基体中的不同分布方式第46页/共55页第四十六页，编辑于星期日：十五点 四分。 2、纤维的种类和性能、纤维的种类和性能 玻璃纤维：玻璃纤维：用量最大、价格最便用量最大、价格最便宜。宜。 碳纤维：碳纤维：化学性能与碳相似。化学性能与碳相似。 硼纤维：硼纤维：耐高温、强度、弹性耐高温、强度、弹性模高。模高。 金属纤维：金属纤维：成丝容易、弹性模量成丝容易、弹性模量高。高。 陶瓷纤维：陶

37、瓷纤维：用于高温、高强复用于高温、高强复合材料。合材料。玻璃纤维碳纤维SiC纤维第47页/共55页第四十七页，编辑于星期日：十五点 四分。 芳香族聚酰胺纤维芳香族聚酰胺纤维: 强度、弹性模量高，强度、弹性模量高，耐热。耐热。 聚乙烯纤维聚乙烯纤维: 韧性极好，密度非常小韧性极好，密度非常小 。 晶须：晶须：是直径小于是直径小于30 m，长度只有几毫，长度只有几毫米的针状单晶体，断面呈多角形米的针状单晶体，断面呈多角形, 是一种是一种高强度材料。高强度材料。 分为金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中分为金属晶须和陶瓷晶须。金属晶须中, Fe晶须已投入生产。工业生产的陶瓷晶须主要晶须已投入生产。工业生产

38、的陶瓷晶须主要是是SiC晶须。晶须。 SiC晶须第48页/共55页第四十八页，编辑于星期日：十五点 四分。 3、纤维增强聚合物基复合材料、纤维增强聚合物基复合材料 通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。通常用碳纤维、玻璃纤维和芳纶纤维增强高分子材料。 这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也这类复合材料的性能较环氧树脂等基体有大幅度的提高，比强度也高得多。高得多。 材料种类材料种类纵向抗拉强度纵向抗拉强度MPa纵向弹性模量纵向弹性模量GPa环氧树脂环氧树脂 696.9环氧树脂环氧树脂/E级玻璃纤维级玻璃纤维102045环氧树脂环氧树脂/碳纤维（高弹性）碳纤维（高弹性

39、）1240145环氧树脂环氧树脂/芳纶纤维（芳纶纤维（49）138076环氧树脂环氧树脂/硼纤维（硼纤维（70%Vf）1400-2100210-280第49页/共55页第四十九页，编辑于星期日：十五点 四分。聚合物基纤维增强复合材料零件聚合物基纤维增强复合材料零件芳纶刹车片芳纶刹车片碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制航空发动机高温构件第50页/共55页第五十页，编辑于星期日：十五点 四分。 4、纤维增强金属基复合材料、纤维增强金属基复合材料 金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合金属的熔点高，故高强度纤维增强后的金属基复合材料（材料（MMC）可以使用在较高温的工作环境之下。）可以使用在较高温的

40、工作环境之下。 常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。常用的基体金属材料有铝合金、钛合金和镁合金。l作为增强体的连续纤维作为增强体的连续纤维主要有硼纤维、主要有硼纤维、SiC和和C纤维；纤维；Al2O3纤维通纤维通常以短纤维的形式用常以短纤维的形式用于于MMC中。中。第51页/共55页第五十一页，编辑于星期日：十五点 四分。 MMC虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性虽强度和弹性模量（刚度）增加，但塑性和韧性因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了因使用陶瓷纤维而有所降低。这在一定程度上限制了MMC的应用范围。的应用范围。航天飞机内MMC (Al / B纤维)桁架第52页/共

41、55页第五十二页，编辑于星期日：十五点 四分。 5、纤维增强陶瓷复合材料、纤维增强陶瓷复合材料 陶瓷材料耐热、耐磨、耐陶瓷材料耐热、耐磨、耐蚀、抗氧化，但韧性低、蚀、抗氧化，但韧性低、难加工。在陶瓷材料中加难加工。在陶瓷材料中加入纤维增强，能大幅度提入纤维增强，能大幅度提高强度，改善韧性，并提高强度，改善韧性，并提高使用温度。高使用温度。 陶瓷中增韧纤维受外力作用，陶瓷中增韧纤维受外力作用，因拔出而消耗能量，耗能越因拔出而消耗能量，耗能越多材料韧性越好。多材料韧性越好。 C/C复合材料第53页/共55页第五十三页，编辑于星期日：十五点 四分。 用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度用晶须作为增强相可以显著提高复合材料的强度和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇和弹性模量，但因为价格昂贵，目前仅在少数宇航器件上采用。现在发现，晶须航器件上采用。现在发现，晶须 (如如SiC 和和Si3N4)能起到陶瓷材料增韧的作用。能起到陶瓷材料增韧的作用。ZnO晶须自增韧自增韧Si3N4陶瓷陶瓷第54页/共55页第五十四页，编辑于星期日：十五点 四分。感谢您的观看。第55页/共55页第五十五页，编辑于星期日：十五点 四分。